關(guān)鍵詞：TPMS 傳感器模塊 MEMS 壓力傳感器 MEMS 加速度傳感器ASIC/MCU 惠斯頓測(cè)量電橋
摘 要：從技術(shù)角度剖析TPMS 專用傳感器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，分析MEMS 壓力和加速度傳感器的架構(gòu)和工作原理。
TPMS是汽車輪胎壓力監(jiān)視系統(tǒng) “Tire Pressure Monitoring System”的英文縮寫，主要用于在汽車行駛時(shí)實(shí)時(shí)的對(duì)輪胎氣壓進(jìn)行自動(dòng)監(jiān)測(cè)，對(duì)輪胎漏氣和低氣壓進(jìn)行報(bào)警，以保障行車安全，是駕車者、乘車人的生命安全保障預(yù)警系統(tǒng)。
在歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家由于TPMS 已是汽車的標(biāo)配產(chǎn)品，因而TPMS 無論在產(chǎn)品品種還是在生產(chǎn)產(chǎn)量方面都在急速增長(zhǎng)，其所用MEMS 芯片和IC 芯片的技術(shù)發(fā)展進(jìn)步很快，TPMS 最終產(chǎn)品技術(shù)也因此而得到迅速發(fā)展。
TPMS 的輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊由五個(gè)部分組成：（1）具有壓力、溫度、加速度、電壓檢測(cè)和后信號(hào)處理ASIC 芯片組合的智能傳感器SoC；（2）4-8 位單片機(jī)（MCU）；（3）RF 射頻發(fā)射芯片；（4）鋰亞電池；（5）天線。見圖1，圖2 是成品的實(shí)物圖。外殼選用高強(qiáng)度ABS 塑料。所有器件、材料都要滿足- 40℃到+125℃的汽車級(jí)使用溫度范圍。
圖1 TPMS 發(fā)射器由五個(gè)部分組成
圖2 TPMS 的輪胎壓力監(jiān)測(cè)模塊成品的實(shí)物圖
智能傳感器是整合了硅顯微機(jī)械加工（MEMS）技術(shù)制作的壓力傳感器、加速度傳感器芯片和一個(gè)包含溫度傳感器、電池電壓檢測(cè)、內(nèi)部時(shí)鐘和模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、取樣/保持（S/H）、SPI 口、傳感器數(shù)據(jù)校準(zhǔn)、數(shù)據(jù)管理、ID碼等功能的數(shù)字信號(hào)處理ASIC 芯片。具有掩膜可編程性，即可以利用客戶專用軟件進(jìn)行配置。它是由MEMS 傳感器和ASIC 電路幾塊芯片，用集成電路工藝做在一個(gè)封裝里的（圖3）。在封裝的上方留有一個(gè)壓力/溫度導(dǎo)入孔（圖4），將壓力直接導(dǎo)入在壓力傳感器的應(yīng)力薄膜上（圖5），同時(shí)這個(gè)孔還將環(huán)境溫度直接導(dǎo)入半導(dǎo)體溫度傳感器上。
圖3 壓力、加速度與ASIC/MCU 組合封裝在一個(gè)包裝內(nèi)
圖4 壓力/溫度導(dǎo)入孔
圖5 硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)
MEMS 硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應(yīng)力硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS 技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯頓測(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路的，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電量，其測(cè)量精度能達(dá)0.01-0.03%FS。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)如圖5 所示，上下二層是玻璃體，中間是硅片，其應(yīng)力硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個(gè)典型的絕壓壓力傳感器。
為了便于TPMS 接收器的識(shí)別，每個(gè)壓力傳感器都具有32 位獨(dú)特的ID碼，它可產(chǎn)生4 億個(gè)不重復(fù)的號(hào)碼。
同樣，加速度傳感器也是用MEMS 技術(shù)制作的，圖6 是MEMS 加速度傳感器平面結(jié)構(gòu)圖，圖7 是加速度傳感器切面結(jié)構(gòu)圖，圖中間是一塊用MEMS技術(shù)制作的、可隨運(yùn)動(dòng)力而上下可自由擺動(dòng)的硅島質(zhì)量塊，在其與周邊固置硅連接的硅樑上刻制有一應(yīng)變片，與另外三個(gè)刻制在固置硅上的應(yīng)變片組成一個(gè)惠斯頓測(cè)量電橋，只要質(zhì)量塊隨加速度力擺動(dòng)，惠斯頓測(cè)量電橋的平衡即被破壞，惠斯頓測(cè)量電橋就輸出一個(gè)與力大小成線性的變化電壓△V。
圖6 加速度傳感器平面結(jié)構(gòu)圖
圖7 加速度傳感器切面結(jié)構(gòu)圖
壓力傳感器、加速度傳感器、ASIC/MCU 是三個(gè)分別獨(dú)立的裸芯片，它們通過芯片的集成廠商整合在一個(gè)封裝的單元里，如圖8 美國(guó)GE 公司NPX2，圖9 是去掉封裝材料后能清晰地看到這三個(gè)裸芯片，三個(gè)芯片之間的聯(lián)接、匹配也都做在其中了。
加速度傳感器可使發(fā)射模塊具有自動(dòng)喚醒功能，SP12/30 和NPX2 系列的智能傳感器都包含了加速度傳感器，加速度傳感器利用其質(zhì)量塊對(duì)運(yùn)動(dòng)的敏感性，實(shí)現(xiàn)汽車移動(dòng)即時(shí)開機(jī)，進(jìn)入系統(tǒng)自檢、自動(dòng)喚醒，汽車高速行駛時(shí)按運(yùn)動(dòng)速度自動(dòng)智能確定檢測(cè)時(shí)間周期，用軟件設(shè)定安全期、敏感期和危險(xiǎn)期，以逐漸縮短巡回檢測(cè)周期和提高預(yù)警能力、節(jié)省電能等功能?？梢岳眉铀俣葌鞲衅?MCU+軟件設(shè)計(jì)完成喚醒的功能設(shè)定，不再需要用其它芯片，以免增加成本。
圖10 SP30 整合使用PHILPS 的P2SC
智能傳感器模塊還整合了ASIC/MCU，NPX2 和SP30 都是使用PHILPS 的P2SC 的傳感器信號(hào)調(diào)理的ASIC 芯片（圖10、圖11），在NPX2 的電原理圖中能清晰地看到這個(gè)單元，它包括一個(gè)作運(yùn)算處理控制的8 位RISC 單片機(jī)、用于安置系統(tǒng)固化程序的4K EROM或FLASH、用于存放客戶應(yīng)用程序的4K ROM、用于存儲(chǔ)傳感器校準(zhǔn)參數(shù)和用戶自定義數(shù)據(jù)的128Byte EEPROM、RAM、定時(shí)調(diào)制器、中斷控制器、RC 振蕩器，以及將來自傳感器信號(hào)進(jìn)行放大的低噪音放大器LNA、繼而將傳感器信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)的ADC、與外界聯(lián)系的I/O 口、電源管理和看門狗、斷續(xù)定時(shí)器、1-3 維的LF 接口。
圖11 NPX2 整合使用PHILPS 的P2SC
TPMS 傳感器模塊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)是將發(fā)射模塊向高度集成化、單一化、無線無源化方向發(fā)展（圖12）。隨著TPMS 產(chǎn)品市場(chǎng)對(duì)IC 高整合度和高可靠性的要求，目前已經(jīng)有了如Infineon SP12/SP30、GE NPX 那樣的將所需測(cè)試各物理量的傳感器與MCU 合二為一的智能傳感器模塊，在未來幾年內(nèi)還會(huì)開發(fā)出包含RF發(fā)射芯片三合一的模塊，包含利用運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能自供電的四合一的模塊，屆時(shí)胎壓力監(jiān)測(cè)發(fā)設(shè)器只有一個(gè)模塊和一個(gè)天線組成，客戶的二次設(shè)計(jì)變得十分簡(jiǎn)便。
圖12 TPMS 傳感器模塊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)
參考資料
《新型實(shí)用傳感器應(yīng)用指南》 顏重光等主編 電子工業(yè)出版社 1998/04
《關(guān)于開發(fā)ATMEL 輪胎壓力監(jiān)測(cè)IC 應(yīng)用市場(chǎng)的報(bào)告》 顏重光 2003/12
《TPMS 的設(shè)計(jì)方案思考》 顏重光 2004/08
《TPMS 汽車安全永恒主題》 顏重光 2005/01
《TPMS 技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)》 顏重光 2005/08
Infineon SP30 Datasheet 2005/01
GE NPX2 Datasheet 2005/03
